光伏水泵MPPT及弱光環(huán)境優(yōu)化控制研究

【摘要】：光伏水泵系統(tǒng)，是一種離網(wǎng)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，因具有輸出與日照強(qiáng)度一致、系統(tǒng)安全可靠無(wú)人值守的特點(diǎn)，特別適合廣大農(nóng)村地區(qū)以及城市自然景觀區(qū)域，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為水資源勢(shì)能。光伏水泵系統(tǒng)的運(yùn)行主要取決于系統(tǒng)控制器的兩方面功能，一方面是對(duì)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能，另一方面是對(duì)水泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能。目前主要的控制器是兩級(jí)電力電子變換結(jié)構(gòu)的光伏水泵控制器，通過(guò)直流變換環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)上述兩級(jí)變換過(guò)程。 本文以一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)為依托，結(jié)合太陽(yáng)能水泵運(yùn)行和光伏系統(tǒng)能量特點(diǎn)，提出了一種單級(jí)電力電子變換的最大功率跟蹤和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；劃分了控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和功能，并對(duì)其中的硬件能量緩沖環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析?？紤]系統(tǒng)最終依靠水泵進(jìn)行輸出，選取頻率作為系統(tǒng)控制變量，有效理清了控制載體水泵的控制方式及能量轉(zhuǎn)換之間復(fù)雜關(guān)系。該方案可以有效降低成本和提升效率。 光伏水泵系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。依據(jù)所提出的頻率控制方法，對(duì)光伏電池部分和水泵系統(tǒng)進(jìn)行初步的仿真建模。本文的最大功率跟蹤算法分兩部分：1.頻率擾動(dòng)觀察法，考慮系統(tǒng)是泵類負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速呈三次方關(guān)系，而電機(jī)系統(tǒng)中頻率與同步轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此基于頻率的擾動(dòng)進(jìn)行功率比較確定擾動(dòng)方向，直至系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)；2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的給定方法，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，進(jìn)行光伏模型的環(huán)境條件與給定運(yùn)行頻率非線性關(guān)系訓(xùn)練，得出時(shí)間和環(huán)境條件下系統(tǒng)運(yùn)行頻率的工作值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系模型。之后，建立復(fù)合控制方法，進(jìn)一步改善跟蹤性能，搭建基于復(fù)合控制的跟蹤模型。 對(duì)光伏水泵系統(tǒng)而言，頻率控制最大功率跟蹤，在電機(jī)工作狀態(tài)上表現(xiàn)為對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行的變頻調(diào)速控制。而且對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速控制過(guò)程進(jìn)一步分析中發(fā)現(xiàn)，在光伏系統(tǒng)運(yùn)行早晚時(shí)間段的弱光系統(tǒng)輕載狀態(tài)，電機(jī)消耗很大部分集中在系統(tǒng)勵(lì)磁上，而勵(lì)磁電能是過(guò)量的。為對(duì)勵(lì)磁過(guò)程進(jìn)行節(jié)能控制，利用矢量控制將勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩分量解耦分別控制，以電流跟蹤控制實(shí)現(xiàn)減小勵(lì)磁部分電能。通過(guò)理論推導(dǎo)以及利用SIMUlink搭建系統(tǒng)的仿真分析，對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的頻率控制的勵(lì)磁節(jié)能功能測(cè)試，得到了良好節(jié)能效果和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩控制特性。 最后，將頻率控制方法應(yīng)用于光伏水泵控制器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)樣機(jī)光伏水泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證單級(jí)系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制功能和光伏水泵系統(tǒng)控制器的整機(jī)功能。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)光伏系統(tǒng)控制系對(duì)泵類負(fù)載頻率電壓控制關(guān)系。 【關(guān)鍵詞】：光伏水泵 頻率控制 最大功率點(diǎn)跟蹤 弱光環(huán)境電機(jī)控制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM615;TH38
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目錄7-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 課題研究背景意義9-10
• 1.2 光伏水泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀10-17
• 1.2.1 光伏水泵系統(tǒng)現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 光伏直流控制技術(shù)11-13
• 1.2.3 光伏直流控制融合逆變技術(shù)13
• 1.2.4 相關(guān)電機(jī)及其控制技術(shù)13-15
• 1.2.5 水泵基本技術(shù)15-17
• 1.2.6 系統(tǒng)控制技術(shù)17
• 1.3 本文研究主要內(nèi)容17-19
• 第2章 光伏水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19-28
• 2.1 太陽(yáng)能電池的原理與工作特性19-22
• 2.1.1 光電池原理19-20
• 2.1.2 光電池的工作特性仿真研究20-22
• 2.2 光伏水泵控制器設(shè)計(jì)22-26
• 2.2.1 系統(tǒng)需求22-23
• 2.2.2 光伏水泵控制器硬件結(jié)構(gòu)23-25
• 2.2.3 光伏水泵控制器軟件結(jié)構(gòu)25-26
• 2.3 緩沖電容容量設(shè)計(jì)26-27
• 2.3.1 直流環(huán)節(jié)電壓崩潰和跟蹤失步26
• 2.3.2 緩沖電容作用分析和設(shè)計(jì)26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第3章 頻率 MPPT 實(shí)現(xiàn)方法研究28-45
• 3.1 頻率擾動(dòng) MPPT 方法研究28-34
• 3.1.1 頻率控制的原理28-30
• 3.1.2 頻率擾動(dòng)控制補(bǔ)償方法30-32
• 3.1.3 頻率擾動(dòng)法仿真分析32-34
• 3.2 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 MPPT 控制方案34-40
• 3.2.1 頻率控制 BP 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建34-37
• 3.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仿真測(cè)試37-40
• 3.3 復(fù)合控制方法40-44
• 3.3.1 復(fù)合控制方法規(guī)則40-41
• 3.3.2 復(fù)合控制方法仿真分析41-42
• 3.3.3 變頻調(diào)速部分仿真模型42-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第4章 基于矢量控制弱光運(yùn)行研究45-59
• 4.1 水泵電機(jī)變速工作過(guò)程分析45
• 4.2 光伏水泵異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量控制45-53
• 4.2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型46-48
• 4.2.2 矢量控制坐標(biāo)變換理論48-51
• 4.2.3 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量控制基本原理51
• 4.2.4 矢量控制系統(tǒng)的仿真51-53
• 4.3 弱光矢量控制勵(lì)磁節(jié)能設(shè)計(jì)原理53-55
• 4.3.1 弱光輕載運(yùn)行與電機(jī)勵(lì)磁能耗53
• 4.3.2 弱光勵(lì)磁節(jié)能原理推導(dǎo)53-55
• 4.4 弱光條件下水泵電機(jī)運(yùn)行仿真55-57
• 4.4.1 系統(tǒng)仿真55-56
• 4.4.2 損耗分析56-57
• 4.5 本章小結(jié)57-59
• 第5章 光伏水泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)59-67
• 5.1 光伏水泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)59-63
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)硬件部分59-63
• 5.1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)整體63
• 5.2 光伏水泵 MPPT 功能實(shí)驗(yàn)63-65
• 5.2.1 MPPT 方法工程實(shí)現(xiàn)63-64
• 5.2.2 MPPT 功能測(cè)試64-65
• 5.3 光伏水泵系統(tǒng)整機(jī)性能測(cè)試65-66
• 5.3.1 交流輸出波形65-66
• 5.3.2 水泵變頻給定測(cè)試66
• 5.4 本章小結(jié)66-67
• 結(jié)論67-68
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果72-74
• 致謝74

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